氣浮/改性凹凸棒土/膜組合工藝處理微污染地表水

趙昌爽，胡 穎，劉 強，薛朝霞

(1. 江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院公用事業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147；2. 徐州工程學(xué)院環(huán)境學(xué)院，江蘇 徐州 221018； 3. 河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098；4. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

研究表明，藻類是嗅味等污染物產(chǎn)生的重要來源，而氣浮技術(shù)具有除藻效率高的顯著特點，同時M-ATP對有機物及營養(yǎng)物質(zhì)處理能力強，膜生物反應(yīng)器具有生化性好和出水效果好的特點[7-11]。針對地表水環(huán)境的污染特點，結(jié)合以上工藝優(yōu)點，將氣浮技術(shù)、M-ATP以及膜生物反應(yīng)器進(jìn)行有機組合，從源頭、過程和末端等環(huán)節(jié)入手，開發(fā)氣浮/M-ATP/膜生物組合工藝[12,13]。采用該一體化工藝凈化微污染地表水，探究該工藝對微污染地表水的處理效能，實現(xiàn)了微污染地表水的全過程凈化處理。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

“氣浮/M-ATP/膜”組合試驗裝置主要由進(jìn)水箱、氣浮處理單元、M-ATP處理單元、膜處理單元和出水箱等部分組成，有效容積約為500 L。如圖1所示，本試驗系統(tǒng)采用加壓溶氣氣浮法，原水經(jīng)加藥絮凝后，進(jìn)入混合室，絮凝產(chǎn)生的絮體和氣浮產(chǎn)生的微氣泡在此互相黏聚上升，而后在分離室實現(xiàn)氣水分離，由刮渣裝置除去液面浮渣。氣浮后的水進(jìn)入M-ATP處理單元，然后進(jìn)入膜單元進(jìn)行過濾處理，最終所處理的水體經(jīng)出水管進(jìn)入出水箱。

圖1 氣浮/M-ATP/膜組合工藝裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the flotation/M-ATP/membrane integrated process

1.2 試驗材料

天然凹凸棒土取自江蘇盱眙，采用硫酸-超聲法對其進(jìn)行改性處理，經(jīng)改性制備的凹凸棒土為60目的顆粒狀，顏色為灰色，M-ATP的主要物理指標(biāo)如表1所示。

表1 凹凸棒土改性前后物理性能對比表Tab.1 Contrast table of attapulgite physical properties before and after modification

試驗用膜為上海大名教育儀器有限公司提供的聚偏氟乙烯(PVDF)平板微濾膜，膜孔徑0.2 μm，有效面積為0.05 m2。

1.3 試驗方法

原水取自常州市某湖泊水，原水水質(zhì)見表2。

表2 原水水質(zhì)Tab.2 Raw water quality

采用“氣浮/M-ATP/膜”組合工藝對原水進(jìn)行處理，試驗系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)如表3所示。

表3 主要工藝參數(shù)Tab.3 Main process parameters

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 濁度的祛除效果

試驗期間，試驗系統(tǒng)進(jìn)出水的平均濁度值分別為7.04和0.48 NTU，由此可知組合工藝對濁度的平均去除率為93.2%(見圖2)。對3個處理單元的去除率進(jìn)行單獨分析，可知：氣浮、M-ATP、膜對濁度的平均去除率依次為27.8%、49.4%、19.9%。試驗剛開始時，系統(tǒng)較不穩(wěn)定，故而出水的濁度值波動較大，待試驗系統(tǒng)穩(wěn)定后，出水的平均濁度值低于0.2 NTU，此時組合工藝對濁度的平均去除率高于97.1%。

圖2 組合工藝對濁度祛除效果Fig.2 Turbidity removal by the integrated process

工藝系統(tǒng)穩(wěn)定后的出水濁度值雖可達(dá)到0.2 NTU，但尚未達(dá)到一般認(rèn)同的小于0.1 NTU的效果，可能是由于M-ATP表面雜質(zhì)剝落以及微濾膜組件存在一定的斷絲量所致[15]。濁度的明顯降低，表明水體的懸浮固體顆粒或膠體物質(zhì)大幅減少，水體的感官條件得到明顯改善，同時對于降低水中有毒有害以及有機物質(zhì)的濃度也具有重要的意義。

2.2 色度的祛除效果

色度是一項綜合性指標(biāo)，因水中含有不同的礦物質(zhì)、染料、有機物等雜質(zhì)而呈現(xiàn)不同顏色，憑此可對水質(zhì)作出初步評價[16]。如圖3所示，試驗系統(tǒng)進(jìn)出水的平均色度值分別為31.6和6.2，由此可知組合工藝對色度的平均去除率為80.2%。對3個處理單元的去除率進(jìn)行單獨分析，可知：氣浮、M-ATP、膜對色度的平均去除率依次為42.2%、12.7%、25.3%。試驗剛開始時，出水色度波動較大，待試驗系統(tǒng)穩(wěn)定后，出水色度基本保持在5.0，去除率高于83.3%。

圖3 組合工藝對色度祛除效果Fig.3 Color removal by the integrated process

2.3 CODMn的祛除效果

如圖4所示，試驗系統(tǒng)進(jìn)出水的平均CODMn分別為9.43和2.47 mg/L，由此可知組合工藝對CODMn的平均去除率為73.5%。對3個處理單元的去除率進(jìn)行單獨分析，可知：氣浮、M-ATP、膜對CODMn的平均去除率依次為41.0%、22.3%、10.2%。試驗剛開始時，出水CODMn濃度波動較大，待試驗系統(tǒng)穩(wěn)定后，出水CODMn濃度低于1.60 mg/L，祛除率高于82.4%。

圖4 組合工藝對CODMn祛除效果Fig.4 CODMn removal by the integrated process

常規(guī)處理工藝對微污染地表水中有機物的處理效果不甚理想，相關(guān)研究結(jié)果表明，常規(guī)工藝對微污染水源水中CODMn的平均去除率僅介于20%～40%之間[17,18]，而經(jīng)過氣浮/M-ATP/膜組合工藝處理后，出水CODMn的平均去除率達(dá)到73.5%，遠(yuǎn)高于常規(guī)處理工藝的去除水平。試驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，一方面氣浮對CODMn具有較好的祛除效果[19]，另一方面M-ATP上會附著一定數(shù)量的生物膜，在生物膜中微生物的代謝作用下，原水中的有機物會被降解轉(zhuǎn)化，CODMn也相應(yīng)降低[20]。

圖變化曲線Fig.5 removal by the integrated process

2.5 膜污染情況分析

在為期3個月的運行周期內(nèi)，真空表讀數(shù)變化較小，實驗開始時，TMP約為2.1 kPa，實驗結(jié)束時(90 d)，TMP約為4.7 kPa，試驗裝置運行良好。

3 結(jié) 語

(2)氣浮/M-ATP/膜處理系統(tǒng)具有較好的抗膜污染性，實驗結(jié)束時(90 d)，實驗裝置的跨膜壓差約為4.7 kPa，試驗裝置運行良好。